波形的发生和信号的转换课件

波形的发生和信号的转换

信号产生电路(振荡器—Oscillators)分类：正弦波振荡:非正弦波振荡：RC振荡器(1kHz~数百kHz)LC振荡器(几百kHz以上)石英晶体振荡器(频率稳定度高)方波、三角波、锯齿波等主要性要求能：输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定引言

正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。正弦波振荡电路简介常用的正弦波振荡器：LC振荡电路:输出功率大、频率高。RC振荡电路:输出功率小、频率低。石英晶体振荡电路：频率稳定度高。

应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。1Su

放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象。

开关合在“1”为无反馈放大电路。21Su

开关合在“2”为有反馈放大电路，

开关合在“2”时,，去掉ui

仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。自激振荡状态29.1正弦波振荡电路的振荡条件1.自激振荡现象2.振荡的条件(1)幅度条件：(2)相位条件：n是整数

相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；

幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A

或反馈系数F达到)。振荡的条件3.起振及稳幅振荡的过程设：Uo

是振荡电路输出电压的幅度，

B是要求达到的输出电压幅度。起振时Uo

0，达到稳定振荡时Uo

=B起振过程中Uo

<B，要求

AuF

>

1，稳定振荡时Uo

=B，要求

AuF

=

1，

从

AuF

>

1到

AuF

=

1，就是自激振荡建立的过程。可使输出电压的幅度不断增大使输出电压的幅度得以稳定起始信号的产生：在电源接通时，会在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。如：如：4.正弦波振荡电路的组成(1)放大电路:

放大信号(2)反馈网络:

必须是正反馈，反馈信号即是

放大电路的输入信号(3)选频网络:

保证输出为单一频率的正弦波

即使电路只在某一特定频率下满

足自激振荡条件(4)稳幅环节:

使电路能从

AuF

>1，过渡到

AuF

=1，从而达到稳幅振荡。放大器选频正反馈网络UoUfUi选频放大器正反馈网络UoUfUi

判断:1.检查电路组成2.“Q”是否合适3.是否满足起振条件9.2RC正弦波振荡电路RC选频网络正反馈网络同相比例电路放大信号

用正反馈信号uf作为输入信号

选出单一频率的信号一、RC

串并联选频网络+–uoui–+R++∞RFR1CRC–uO–+Uf–+1.传输系数：。。RCRC。+–+–。式中

：

分析上式可知：仅当=o时，达最大值，且u2与u1同相，即网络具有选频特性，fo决定于RC。RC选频网络：

0

Fu

.

0

f90

-90

•式中:

0=1/RC当

=

0

时

Fu=1/3.

=0º。。RCRC。+–+–。u1u2u2与u1波形相频特性

（f）fo幅频特性ffo132.工作原理

输出电压

uo经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf

作为同相比例电路的输入信号ui

。(1)起振过程(2)稳定振荡

A

=

0，仅在f

0处

F=

0满足相位平衡条件，所以振荡频率f

0=12RC。改变R、C可改变振荡频率RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下，常用于低频。(3)振荡频率

振荡频率由相位平衡条件决定。振荡频率的调整++∞RFRCC–uO–+SSR1R2R3R3R2R1

改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C的大小可实现频率的细调。振荡频率（4）起振及稳定振荡的条件稳定振荡条件

AuF

=1，|F|=1/3，则起振条件

AuF

>1，因为|F|=1/3，则

考虑到起振条件

AuF

>1,一般应选取RF

略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。

由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。IDUD振荡幅度较小时正向电阻大振荡幅度较大时正向电阻小a.利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1稳幅环节（5）稳幅措施为使电Au

为非线性，起振时，应使Au>3，稳幅后Au=3。二极管稳幅12.4k

>R2>8.1k

起振时信号小，二极管电阻大Au

1+(R2+R3)/R1>3R2>2R1-R3起振后二极管电阻逐渐减小，Au

1+R2/R1=3为使失真小：R2<2R1f0=1.94kHz22k

8R1R2V1V2R38.2k

6.2k

4.3k

0.01F8.2k

0.01Fb.热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。

在起振时，由于uO很小，流过RF的电流也很小，于是发热少，阻值高，使RF>2R1；即

AuF

>1。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+

随着振荡幅度的不断加强，uO增大，流过RF

的电流也增大，RF受热而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1时，稳定于

AuF

=1，振荡稳定。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+

稳幅过程：

思考：

若热敏电阻具有正温度系数，应接在何处？uotRFAub.热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。二、RC

移相式振荡电路8CRRfRCRC一节RC环节移相90二节RC

环节移相180三节RC

环节移相270对于的信号，—满足相位平衡条件优点：结构简单缺点：选频特性差，输出波形差9.3LC

正弦波振荡电路类型：变压器反馈式、电感三点式、电容三点式一、变压器反馈式LC

振荡电路LRCIs.L的等效损耗电阻1.

LC

并联回路的特性Z通常R<<ωL(1)谐振频率f0(2)谐振阻抗Z0(3)回路品质因数Q(4)频率特性

0

Z

Z0

Q大Q

小

0

f90º-90ºQ

增大幅频特性相频特性2.并联谐振的本质—

电流谐振LuCr–

+iiLiC(1)Z=Z0

呈纯阻(2)形成环流，大小是总电流的Q

倍•

•IC•IL•U•I•二、变压器反馈式振荡电路1.电路结构

正反馈2.振荡频率

即LC并联电路的谐振频率uf+–LC+UCCRLC1RB1RB2RECE－－

放大电路选频电路反馈网络×1、电感三点式和电容三点式LC正弦波发生器把并联LC回路中的C或L分成两个，则LC回路就有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个极相连，就形成了LC三点式正弦波发生电路。它们又分为电感三点式和电容三点式两类。LC三点式正弦波发生电路图a）电感三点式b）电容三点式三、三点式LC振荡电路2.电感三点式振荡电路

正反馈放大电路选频电路反馈网络+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－－

通常改变电容C来调节振荡频率。反馈电压取自L2振荡频率一般在几十MHz以下。不足：输出波形含有较大的高次谐波，常用于要求不高的设备中，如高频加热器、接收机的本机振荡等。优点：缺点：易起振(L

间耦合紧)；易调节(C

可调)。输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。振荡频率3.电容三点式振荡电路

正反馈放大电路反馈网络－－

振荡频率

通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调节振荡频率。反馈电压取自C2+UCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相

振荡频率可达100MHz以上。选频电路考毕兹振荡器(Colpitts)优点：波形较好缺点：2)V极间电容影响f01)

调频时易停振C3的改进四、石英晶体(Crystal)振荡电路1.石英晶体谐振器的阻抗特性（1）结构和符号化学成分SiO2结构晶片涂银层焊点符号（2）压电效应形变形变机械振动外力压电谐振—外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。（3）等效电路rqC0CqLqLq

—晶体的动态电感

(10-3~102H)(大)Cq

—晶体的动态电容

(<0.1pF)(小)rq

—等效摩擦损耗电阻(小)Co

—晶片静态电容

(几~几十pF)大小小大（4）频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性

（5）使用注意2)要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。1)要接一定的负载电容CL(微调)，

以达标称频率。2.石英晶体谐振电路（1）.串联型

f=fs，晶体呈纯阻+VCCVRERB1RB2CBLC（2）并联型fs<f

<

fp，晶体呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC××一、电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。类型基本比较器简单比较器(单门限)窗口比较器(双门限)迟滞比较器(施密特触发器)9.4非正弦波信号产生电路理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–

Uo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)饱和区O电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––当u+>u–

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo

(sat)

即ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo

(sat)ui

<UR，uo=–Uo

(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo

(sat)–Uo

(sat)t1t2输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo'

=–

Uo

(sat)

过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O2.滞回比较器上门限电压下门限电压电路中引入正反馈，其特点：(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。RF当uo=+Uo(sat)，则当uo

=–Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2uoui++

–

R1+–+–－

－上门限电压U'+

：ui逐渐增加时的门限电压下门限电压U"+：ui

逐渐减小时的门限电压uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFR2uoui++

–

R1+–+–定义：回差电压

与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，

U越大，抗干扰能力越强。结论：1.调节RF

或R2

可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影回差电压

U。

电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。解：

上门限电压

下门限电压例：电路如图所示，

Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k

，R2=10k

，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++

–

R1+–+–（1）RFR2uoui++

–

R1+–+–uiuoO-6-226

图(1)的电压传输特性二、运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。1矩形波发生器（1）电路结构

由滞回比较器、RC充放电电路组成，

电容电压uC

即是比较器的输入电压，（2）工作原理设电源接通时，

uo

=+UZ，uC(0)=0。

电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。uo

通过RF对电容C充电，uC

按指数规律增长。RFCuC+–R1R2uo++

–

+–充电UR+–DZ当uo

=+Uo(sat)时，电容充电，uC上升，电容放电，

uC下降，当uC=UR

时，uo

跳变成–UZ当uC=–UR

时，uo

跳变成

+UZ，电容又重新充电。放电（2）工作原理RFCuC+–R1R2uo++

–

+–充电UR+–DZRFCuC+–R1R2uo++

–

+–UR+–DZ（3）工作波形充电放电uouCt1t3t2T1T2T–UZ+UZ矩形波常用于数字电路中作为信号源（4）振荡周期

由波形图可以看出，uc的值从t1时刻的+UZ下降到t2时刻的-UZ所需要的时间就是振荡周期的一半，即而其中RFCuC+–R1R2uo++

–

+–充电UR+–DZ将这些值代入式，得式中，且。当时，，即于是解此方程可得1）.获得三角波的基本方法方波积分电路三角波2）.锯齿波发生电路在三角波发生电路中，如果电容的充电、放电时间常数不相等，则可使积分电路的输出为锯齿波。三、三角波发生电路

矩形波发生器

1.三角波发生器（1）电路结构A2：反相积分电路Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1（2）工作原理A1：因

u-=0，所以当u+=0时，A1状态改变由叠加原理可得：U+1Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1U+1Cuo1R3R2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1+U+1Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1-UZ（2）工作原理输出uo1

改变(+UZ

跃变到–UZ

或–UZ

跃变到+UZ)，同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1而参考电压为UR=u-1=0所以要是u01从－Uz变为＋Uz，必须u＋1=u-1=0TT1T2（3）工作波形uo1UZ–UZtOuo改变比较器的输出uo1、电阻R1、R2即可改变三角波的幅值。

2.锯齿波发生器（1）电路Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1三角波发生器CR3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1uo1R'4D在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其输出锯齿波。（2）波形2.锯齿波发生器CR3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1uo1R4'D（1）电路tUZ–UZuouo1Ouo四、运放在信号测量方面的应用

在自动控制和非电测量等系统中，常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力和流量等)的变化转换为电信号(电压或电流)，而后输入系统。但这种非电量的变化是缓慢的，电信号的变化量常常很小(一般只有几毫伏到几十毫伏)，所以要将电信号加以放大。测量放大电路的作用是将测量电路或传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。一般对测量放大电路的要求是输入电阻高、噪声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。测量放大器的原理电路ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui++A2A1A3

–––––––+对A1和A2有对A3有

改变R1的阻值，即可调节电压放大倍数五、集成函数发生器8038>I01电子开关S1.原理1188+VCCRRRRSCI01I02uC6932-VEE或地10反相器电压跟随器正弦波变换器当Q=0，S断开，C充电(I01)至2/3VCCQ=1SR01010

1Q8038集成函数发生器>I01电子开关S1.原理1188+VCCRRRRSCI01I02uC6932-VEE或地10反相器电压跟随器正弦波变换器当Q=1，S闭合，C放电

(I02

-I01)至1/3VCCQ=0SR01010

1Q8038集成函数发生器>I01电子开关S1.原理1188+VCCRRRRSCI01I02uC6932-VEE或地10反相器电压跟随器正弦波变换器当I02

=2I01，引脚9输出方波，引脚3输出三角波；8038集成函数发生器>I01电子开关S1.原理1188+VCCRRRRSCI01I02uC6932-VEE或地10反相器电压跟随器正弦波变换器当I02

<2I01，

引脚9输出矩形波，引脚3输出锯齿波。2.应用12345678ICL8038141312111091314正弦波失真度调整正弦波失真度调整正弦波输出三角波输出矩形波输出调频偏置电压输入调频偏置电压输出接电阻RA接电阻RB接电容C+VCC-VEE

(或地)调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RP2RP4

RP1+VCC-VEERRAICL803845131011128RBRP3CC1692六、波形变换电路

从三角波和锯齿波发生电路的分析可知，这些电路构成的基本思路是将一种形状的波形变换成另一种形状的波形，即实现波形变换。只是由于电路中两个组成部分的输出互为另一部分的输入，因此产生了自激振荡。实际上，也可以利用基本电路来实现波形的变换。比如前面讲过的，可以利用积分电路将方波变为三角波，利用电压比较器将正弦波变为矩形波等等。而本节所介绍的是采用特殊方法实现的三角波变锯齿波电路和三角波变正弦波电路。

1.三角波变锯齿波电路三角波变锯齿波电路如图所示。三角波变锯齿波电路

图中R1=R5=